Как это работает – прецизионное накатывание резьбы
В компании Horst Engineering & Manufacturing Co., созданной год назад, многоосные токарные центры Citizen Swiss и многоосные токарные станки Eurotech производят высокоточные обработанные компоненты. Они точат, сверлят, фрезеруют и даже нарезают резьбу. Тем не менее, на том же небольшом заводе в Ист-Хартфорде, штат Коннектикут, дочерняя компания Horst Engineering, Thread Rolling Inc., использует резьбонарезные станки Waterbury, Hartford и Reed пятидесятилетней давности для формирования внешней резьбы с помощью специализированного, но элегантно простого вторичного процесса..Не все их машины являются антиквариатом. Большая часть оборудования была отремонтирована, и новые машины смешались со старыми. Поэтому вполне уместно, что они поселились в самой исторической части старой фабрики, где пятидесятипятилетний деревянный пол символизирует шестидесятилетний семейный бизнес.
Накатывание резьбы — это процесс, которому уже более ста лет, и в эксплуатации находятся машины, по сравнению с которыми пятидесятилетние машины выглядят моложе. Резьбовые ролики бывают разных типов и размеров, но все они используют механизм, в котором матрицы из закаленной стали подобраны и настроены на проникновение с силой, чтобы изменить форму поверхности материала круглого диаметра в форму резьбы. Цилиндрическая заготовка или заготовка подается в станок (вручную или автоматически), а штампы вращаются (цилиндрические штампы) или совершают возвратно-поступательные движения (плоские штампы), чтобы нарезать резьбу в процессе формовки без сколов. Каждая форма, форма и размер резьбы имеет уникальный набор матриц, которые обычно изготавливаются из термообработанной инструментальной стали (обычно Rockwell C 58-62) и закупаются, а не изготавливаются собственными силами.
Накатка резьбы — это, прежде всего, процесс холодной штамповки, выполняемый при комнатной температуре, но существует ниша для горячей прокатки, когда материалы выше Rockwell C 45, поскольку срок службы штампа будет серьезно снижен. Как и бесцентровое шлифование, родственный ему процесс, процесс накатки резьбы может быть подачей или сквозной подачей. Накатка резьбы является предпочтительным методом для нарезания резьбы в больших объемах производства. Планетарные резьбонарезные станки способны нарезать резьбу на десятках тысяч деталей в час. Высокоскоростные вертикальные или наклонные поршневые машины с плоской матрицей также могут обеспечить высокую производительность, а горизонтальные цилиндрические машины с двумя матрицами могут быстро производить тысячи футов резьбового стержня.
Многие вещи, которые вы продаете в местном хозяйственном магазине, такие как шурупы, болты с затяжкой и крепежные винты, были массово произведены с помощью резьбонакатных станков. Выступающая, контрфорсная, червячная, квадратная и трубная резьбы — это лишь несколько уникальных форм, которые можно получить с помощью накатки резьбы; однако резьба машинного винтового типа наиболее знакома людям, работающим в сфере точной механической обработки.
С одной стороны, автоматизированное накатывание резьбы в больших объемах интересно из-за скорости и стабильности размеров процесса, но производство крепежных изделий и деталей коммерческого качества является относительно обычной практикой. На другом конце спектра находится весьма специализированная ниша высокоточного резьбонакатывания, в первую очередь для небольших партий деталей. В некоторых высокотехнологичных отраслях, включая аэрокосмическую промышленность и автоспорт, требуются резьбы с чрезвычайно жесткими допусками, превосходной обработкой поверхности и повышенной прочностью, присущей деталям, изготовленным в процессе формовки. Компания Thread Rolling Inc. использует комбинацию вертикальных цилиндрических станков с тремя матрицами, горизонтальных поршневых машин с плоской матрицей и горизонтальных цилиндрических машин с двумя матрицами для производства прецизионной резьбы.
Основное внимание уделяется производству высокоточного разнообразия машинных резьб с упором на стандартную унифицированную и метрическую резьбу с углом 60°, наиболее распространенную в аэрокосмической промышленности. Наиболее распространенными здесь являются потоки класса 2A и класса 3A в формах UNF, UNC, UNJF и UNJC. Резьба J-образной формы имеет больший контролируемый радиус основания для дополнительной прочности в зоне высоких напряжений и широко распространена в аэрокосмической промышленности. Проверка размеров высококачественной резьбы отличается от коммерческой. Спецификации различаются, но аэрокосмические и военные стандарты требуют, чтобы для проверки делительного диаметра и связанных с ним размеров использовался калибр резьбы с указанием типа.
Контроль шаговых диаметров производят как полноразмерными, так и одноэлементными калибрами-указательами типа, которые устанавливаются мастерами резьбы. Кольцевые калибры прохода/непрохода резьбы используются только для справки. Стандартные микрометры наружного диаметра используются для проверки больших диаметров, а оптические компараторы используются для проверки меньших диаметров и радиусов корня. Имея в наличии все эти датчики в цехе, оператор резьбонакатного станка может контролировать процесс и быстро вносить коррективы. Износ штампа и другие переменные могут повлиять на процесс прокатки, но как только машина настроена, процесс становится последовательным и повторяемым.
Формованная резьба предпочтительна для высокопрочных и ответственных применений, например, в аэрокосмической промышленности. Накатанная резьба, особенно на термообработанных деталях, имеет более высокую прочность на растяжение, сдвиг и усталостную прочность. В процессе прокатки материал не удаляется, что устраняет один из недостатков, присущих нарезанной или шлифованной резьбе. Свойства холодной штамповки включают более высокую плотность зерен или молекул материала, особенно там, где они уплотнены вдоль нижней стороны каждого шага резьбы и в основании резьбы.
Аэрокосмические металлы сложно обрабатывать и формовать, поэтому обычные нарезные приспособления, используемые на винтовых станках и токарных станках для больших объемов работ, с трудом соответствуют требованиям качества прецизионной резьбы. Усилие, необходимое для формирования резьбы на термически обработанной легированной стали или деталях из экзотических сплавов, изготовленных из Inconel® или титана, не может быть эффективно достигнуто без использования специального оборудования. Компания Thread Rolling Inc. специализируется на резьбе диаметром менее 1500 дюймов, но накатанная резьба производится на крепежных изделиях диаметром до 5,00 дюймов и даже больше. Чтобы переместить такое количество материала, требуется серьезная сила, до тридцати или сорока тонн давления качения, создаваемого очень большими машинами. Некоторые резьбы считаются настолько важными, что требуется процесс отбора проб для разрушающего тестирования для микроскопического исследования каждого шага резьбы при 500-кратном увеличении.
Резьба правильной формы требует, чтобы плашки были точно выровнены или «совпадали друг с другом». Независимо от того, используются ли в процессе две или три матрицы, они должны правильно отслеживаться, чтобы избежать внутренних дефектов, таких как перекрытия, трещины, складки, швы и кратеры. Метод разрушающего контроля резьбы используется для выявления внутренних дефектов и проверки достижения надлежащего потока зерна материала. Репрезентативные образцы тестируются в начале каждой новой установки и периодически в ходе производственного цикла.
Процесс тестирования требует, чтобы резьба была вырезана из остальной части детали, разделена пополам продольно, закреплена в эпоксидной смоле, отшлифована и притерта до трехмикронной чистоты, протравлена для выявления микроструктуры и подвергнута микроскопическому исследованию. Весь процесс занимает чуть больше часа, но требует специального оборудования для металлографической подготовки и контроля. Поскольку производство приостанавливается для испытаний, требуется целый ряд станков, поэтому станочники выполняют несколько работ одновременно, чередуя процессы шлифования, нарезания резьбы и испытаний.
Зачастую детали поступают для обслуживания в оптовой упаковке, но когда они возвращаются с блестящей прецизионной резьбой, они индивидуально упаковываются с защитными приспособлениями для предотвращения повреждений во время транспортировки. В один из последних дней продавец упаковывал единственный синий контейнер, облицованный пенопластом.
Пенопластовая вставка была вырезана для одного вала прототипа. Эта восемнадцатидюймовая деталь была накручена с обоих концов. Деталь была спроектирована и спроектирована с учетом накатанной резьбы. Это означало, что с диаметров резьбы предварительного наката были правильно сняты фаски и отшлифованы до правильного делительного диаметра, гипотетического диаметра между большим и меньшим диаметром, который используется для определения размера резьбы. Эта конкретная работа не требовала разрушающих испытаний, но для настройки машин были изготовлены сборные детали из аналогичного материала. При единичном размере партии нет права на ошибку, и высококвалифицированные машинисты это знали.
Накатанная резьба высочайшего качества производится из заготовок самого высокого качества. По этой причине большинство деталей, отправляемых в Thread Rolling Inc., имеют завышенный размер, поэтому окончательный процесс калибровки можно контролировать с помощью бесцентрового шлифования. После шлифования нужного размера, обычно совместными усилиями специалиста по нарезанию резьбы и шлифовщика, детали шлифуются до их окончательного размера с точностью до 0,0004 дюйма, сохраняя при этом округлость в пределах 0,000050. Перед накаткой резьбы чистота поверхности по диаметру всегда лучше 32 микродюймов. Благодаря полирующему действию матриц шероховатость после прокатки, особенно на боковых сторонах, может достигать 4 микродюймов, в зависимости от материала и твердости. Финишная обработка — еще одна причина выбора накатки перед другими процессами нарезания резьбы.
Отсутствие средств управления ЧПУ на большинстве оборудования означает, что этот процесс не так удобен для пользователя, как обработка винтов, токарная обработка или фрезерование. Заказчикам сложно объяснить, что при прокатке большой диаметр действительно увеличивается в размерах. Некоторые не хотят верить, что можно обточить заготовки ниже большого диаметра и что их детали не окажутся в металлоломе. Например, резьба.250-28 UNF-3A имеет делительный диаметр.2268-.2243 и основной диаметр.2500-.2435. Размер заготовки перед нарезанием резьбы будет близок к максимальному делительному диаметру, а материал, смещенный матрицами, будет формироваться в пределах допуска по основному диаметру.
Ребята из Thread Rolling Inc. часто слышат, что клиенты уклоняются от работ, требующих накатки резьбы, потому что этот процесс кажется сложным, загадочным или вышедшим из-под их контроля. Этот процесс уникален, но в отрасли прецизионного формования работает много специалистов. Этот процесс просто не может быть выполнен так легко, как можно было бы ожидать в сегодняшних условиях, когда многоосные станки «делают все» автоматически выполняют свою работу. Чтобы стать успешным оператором резьбонакатного станка, необходимо много «чувствовать». Высокоточная накатка резьбы — это нишевый практический процесс, который никуда не денется.